Характеристика заряда и разряда аккумуляторной батареи

Все характеристики батареи можно разделить на разрядные, за­рядные и зарядно-разрядные. Разрядные характеристики снимают в двух режимах: осветительном (ток разряда до 0,5 Сго) и стартер- ном (ток разряда от 1,5С^₀ до 7 С ₂ о). Разрядные характеристики ус­ловно делятся на следующие группы:

- временные, выражающие зависимость напряжения от продол­жительности разряда;

- вольт-амперные, выражающие зависимость напряжения от тока;

- емкостные, мощностные и энергетические, которые рассчи­тываются на основе временных. Вольт-амперные характеристики будут рассмотрены в гл. 2 при анализе работы стартерной батареи в режиме пуска двигателя.

Напряжение аккумулятора в процессе разряда постоянным то­ком /_р изменяется сложным образом (рис. 1.41). Это объясняется нелинейностью и непостоянством во времени его внутреннего со­противления, особенно поляризационной составляющей. Времен­ные разрядные и зарядные характеристики удобно анализировать совместно с эквивалентными электрическими схемами замещения аккумулятора на различных стадиях процесса.

Длительность I стадии процесса разряда аккумулятора состав­ляет несколько десятков секунд. Она начинается при включении нагрузки R_H (точка 1) и заканчивается в точке 3 после завершения переходного процесса, определяемого поляризационными явле­ниями. Точка 1 соответствует равновесной ЭДС Е аккумулятора, а участок 1-2 кривой U_p(t) - падению напряжения на омическом со­противлении R₀. На участке 2-3 происходит нарастание ЭДС по­ляризации Е_п, определяющееся в основном концентрационным сдвигом потенциалов электродов. На эквивалентной схеме это со­ответствует заряду конденсатора С_п, который заканчивается в точке

Поскольку процесс разряда на этой стадии происходит практиче­ски на постоянное сопротивление R_H, a U_p быстро падает на вели­чину En(f) от точки 2 к точке 3, на кривой lp(t) также будет наблюдаться некоторое падение тока разряда. После точки 3 постоянство /р обеспечивается за счет уменьшения переменного сопротивления нагрузки RH.

Начиная с точки 3, процесс разряда переходит во II стадию, характеризующуюся постоянством ЭДС поляризации Е_п = / R_П и линейным уменьшением напряжения Up в связи с линейным падением равновесной ЭДС Е (на рис. 1.41 выделена штриховой лини­ей). В ходе токообразующей реакции из-за образования воды и по­глощения серной кислоты из раствора электролита происходит ли­нейное уменьшение плотности электролита у. Продолжительность

II стадии, ограниченной на разрядных характеристиках точками 3 и

4, наибольшая и составляет при разряде /_р = 0,05£>₀ (осветитель­ный режим) 80...90% общего времени разряда. На эквивалентной схеме замещения в этой стадии конденсатор С_п не показан, так как переходные поляризационные процессы отсутствуют, внутреннее сопротивление аккумулятора имеет чисто активный характер и R_B = R₀ + Rn.

Разряд переходит в III стадию, когда существенным становится процесс пассивации активной массы электродов (точка 4). Начина­ется увеличение поляризационного сопротивления R„ и, следова­тельно, увеличение ЭДС Е„. Кроме того, увеличивается и омиче ское сопротивление R₀ в связи с падением плотности электролита у (см. рис. 1.41). Химические реакции, протекающие при недостатке кислоты из-за пассивации сульфатом свинца после точки 5, явля­ются необратимыми. Следовательно, глубокий разряд приводит к порче электродов. Поэтому при снятии временной характеристики необходимо прекращать разряд при определенном напряжении U_pK. Обычно принимается U_pK ~ 0,75 U_pH, где U_pH - начальное разрядное напряжение после завершения переходного процесса в точке 3 (примерно на десятой секунде разряда).

Рис. 1.41 Временные характеристики разряда АКБ и ее эквивалентные электрические схемы замещения на различных стадиях разряда.

 

После отключения нагрузки в точке 5 напряжение U_p резко воз­растает на величину падения напряжения на омическом сопротив­лении /_РR₀, но оно не достигает значения равновесной ЭДС Е из-за неравномерного распределения плотности электролита по толщине электродов. Это соответствует на эквивалентной схеме наличию заряда на конденсаторе Сп. В течение некоторого времени переходного процесса распределение плотности у становится равномерным и напряжение на аккумуляторе повышается до величины Е. На эквивалентной схеме это соответствует разряду конденсатора Сп на сопротивление поляризации Rп. Стадия IV (точки 5-7), описывающая этот процесс, является завершающей.

Площадь, ограниченная осью времени t и кривой l_p(f), пропорцио­нальна разрядной емкости аккумулятора в данном режиме разряда.

Аналогичные процессы происходят при заряде аккумулятора по­стоянным током /₃ (рис. 1.42).

Схема заряда состоит из источника Е₃, батареи, выключателя и переменного балластного сопротивления R_б, которое присоединя­ется последовательно с батареей для обеспечения постоянного тока. Постоянство зарядного тока может также обеспечиваться ре­гулированием напряжения зарядного устройства.

На I стадии, как и в процессе разряда, относительно равновес­ной ЭДС Е происходит скачок напряжении U₃ на размер омических потерь в аккумуляторе (участок 1-2), а затем переходный процесс 2-3 стабилизации неравномерного распределения концентрации электролита вблизи электродов (заряд конденсатора С_п на эквива­лентной схеме замещения).

 

Рис. 1.42. Временные характеристики заряда аккумуляторной батареи и ее эквивалентные электрические схемы замещения на различных стадиях заряда

 

Стадия II для упрощения объединяет линейный и нелинейный участки нарастания U3. За счет формирования активной массы, повышения плотности электролита у на этой стадии происходят повышение ЭДС батареи Е и рост зарядного напряжения U3, необходимого для поддержания постоянного зарядного тока /3.

В процессе заряда активная масса восстанавливается в направлении от поверхности электродов внутрь, во все более глубокие слои, в результате чего все более и более затрудняется выравнивание плотности электролита. При завершении процесса заряда, когда почти вся активная масса электродов окажется восстановленной (напряжение на аккумуляторе достигает 2,3 В), зарядный ток начинает частично, а затем полностью расходоваться на разложение воды с выделением водорода и кислорода. При этом напряжение резко повышается и достигает 2,7 В, что объясняется более высоким напряжением для разложения воды. Момент начала газовыделения отмечен на рис. 1.42. После достижения указанного значения напряжение заряда перестает возрастать. Начинается III стадия процесса заряда, так называемый перезаряд, когда в тече ние 2...3 ч напряжение U₃ и плотность у не изменяются. При этом наблюдается обильное газовыделение - «кипение» электролита. На этой стадии происходят окончательная регенерация глубинных слоев активных масс электродов и полное электрическое разложе­ние сульфата PbS0₄.

Следует отметить, что этого участка нет у необслуживаемых ба­тарей, так как в них значительно повышено напряжение начала газовыделения. В этом случае после полного восстановления исход­ных реагентов электрохимические процессы прекращаются и ток заряда резко падает. Батарея перестает «принимать» заряд.

После отключения зарядной цепи на IV стадии плотность элек­тролита у электродов и между ними выравнивается. Соответствен­но понижается и напряжение аккумулятора до значения равновес­ной ЭДС Е, соответствующей достигнутой плотности электролита у₃. На схеме замещения это соответствует разряду заряженного до напряжения Е_п конденсатора С_п на сопротивление поляризации R„. Отрезок 5-6 соответствует падению напряжения на активном со­противлении в конце заряда /₃Яб.

На практике продолжительность зарядно-разрядных процессов зависит от протекающего через аккумулятор тока, температуры электролита, состояния аккумулятора, а также степени его разряженности и предпускового разряда на устройства облегчения пуска холодного двигателя.